钜大LARGE | 点击量：501次 | 2021年12月21日
固态电池成为动力锂电池最佳的挑选，但还有三点困难要攻克
减少碳排放的迫切需要正促使人们迅速走向电气化交通，并在电网上扩大太阳能和风能的部署。如果这些趋势如预期的那样升级，对更好的电能储存方法的需求将加剧。
"我们需要所有我们能得到的策略来应对气候变化的威胁。"ElsaOlivetti博士说，他是Esther和HaroldE.Edgerton材料科学和工程的副教授。显然，开发基于电网的大规模存储技术是至关重要的。但对于移动应用--特别是运输--许多研究都集中在调整今天的锂离子电池，使其更安全、更小，并能为其尺寸和重量储存更多的能量。
传统的锂离子电池继续改进，但它们的局限性仍然存在，部分原因是其结构。锂离子电池由两个电极组成，一个是正极，一个是负极，夹在一个有机（含碳）液体中。当电池被充电和放电时，带电的锂粒子（或离子）通过液体电解质从一个电极传到另一个电极。
这种设计的一个问题是，在某些电压和温度下，液态电解质可能会变得挥发并起火。奥利维蒂小组的研究科学家凯文-黄博士（KevinHuangPh.D.'15）说："电池在正常使用情况下一般是安全的，但风险仍然存在。
另一个问题是，锂离子电池并不适合用于汽车。大而重的电池组会占用空间，增加车辆的整体重量，降低燃油效率。但事实证明，要使今天的锂离子电池更小、更轻，同时保持其能量密度--即每克重量所储存的能量--是很困难的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
为了解决这些问题，研究人员正在改变锂离子电池的关键特征，以制造一个全固体，或"固态"版本。他们用一种薄的固体电解质取代中间的液体电解质，这种电解质在很大的电压和温度范围内都很稳定。有了这种固体电解质，他们使用了一个高容量的正电极和一个高容量的锂金属负电极，其厚度远远低于通常的多孔碳层。这些变化使得在保持其储能能力的同时大大缩小了整个电池，从而实现了更高的能量密度。
这些特点--增强的安全性和更大的能量密度--可能是潜在的固态电池最常被吹捧的两个优点，然而所有这些东西都是前瞻性的，希望的，而不一定能实现。然而，这种可能性使许多研究人员争先恐后地寻找能够实现这一承诺的材料和设计。
超越实验室的思考
研究人员已经想出了许多耐人寻味的方案，在实验室里看起来很有希望。但是Olivetti和Huang认为，鉴于气候变化挑战的紧迫性，额外的实际考虑可能是重要的。奥利维蒂说："我们研究人员在实验室里总是有一些指标来评估可能的材料和工艺。例子可能包括储能能力和充/放电率。但如果目的是实施，我们建议增加一些指标，专门解决快速扩展的潜力。"
基于工业界在当前锂离子电池方面的经验，麻省理工学院的研究人员和他们的同事、加州大学伯克利分校的丹尼尔-M-泰勒普特聘工程教授GerbrandCeder提出了三个广泛的问题，这些问题可以帮助确定由于材料选择而对未来规模扩大产生的潜在限制。首先，对于这种电池设计，随着生产规模的扩大，材料的可用性、供应链或价格波动是否会成为一个问题？请注意，扩大开采所引起的环境和其他问题不在本研究的范围之内）。第二，用这些材料制造电池是否会涉及到困难的制造步骤，在这些步骤中零件可能会失效？第三，为确保基于这些材料的高性能产品所需的制造措施最终会降低还是提高所生产电池的成本？
为了证明他们的方法，Olivetti、Ceder和Huang研究了一些研究人员正在研究的电解质化学和电池结构。为了选择他们的例子，他们转向了以前的工作，在这些工作中，他们和他们的合作者使用文本和数据挖掘技术来收集文献中报告的材料和加工细节信息。从该数据库中，他们选择了几个经常报道的选项，代表了一系列的可能性。
材料和可用性
在固体无机电解质的世界里，有两大类材料--含有氧气的氧化物和含有硫磺的硫化物。Olivetti、Ceder和Huang专注于每一类中一个有希望的电解质选项，并研究了每一类的关键关注要素。
他们考虑的硫化物是LGPS，它结合了锂、锗、磷和硫。基于可用性的考虑，他们把重点放在了锗上，这种元素引起了人们的关注，部分原因是它通常不会被单独开采。相反，它是在开采煤和锌的过程中产生的副产品。
为了调查它的可用性，研究人员调查了在过去六十年里，在煤炭和锌的开采过程中每年产生多少锗，然后再调查可以生产多少。结果表明，即使在最近几年，也可以生产100倍的锗。鉴于这种供应潜力，锗的可用性不可能限制基于LGPS电解质的固态电池的放大。
研究人员选择的氧化物LLZO的情况看起来不那么乐观，它由锂、镧、锆和氧组成。镧的提取和加工主要集中在中国，而且可用的数据有限，所以研究人员没有尝试分析其可用性。其他三种元素的供应量很丰富。然而，在实践中，必须添加少量的另一种元素，即掺杂剂，以使LLZO易于加工。因此，研究小组把重点放在钽上，它是最经常使用的掺杂剂，是LLZO的主要关注元素。
钽是作为锡和铌开采的副产品产生的。历史数据显示，在锡和铌的开采过程中，钽的产量比锗的产量更接近潜在的最大值。因此，钽的可用性对于可能扩大基于LLZO的电池规模来说是一个更值得关注的问题。
但是，知道一种元素在地下的可用性并不能解决将其送到制造商手中所需的步骤。因此，研究人员调查了一个关于关键元素的供应链的后续问题--采矿、加工、提炼、运输等等。假设有丰富的供应，运送这些材料的供应链能否迅速扩大，以满足对电池不断增长的需求？
在抽样分析中，他们研究了锗和钽的供应链需要逐年增长多少，才能为预计2030年的电动汽车车队提供电池。作为一个例子，一个经常被引用为2030年目标的电动汽车车队将需要生产足够的电池来提供总共100千兆瓦时的能量。为了实现这一目标，仅使用LGPS电池，锗的供应链需要逐年增长50%--这是一种延伸，因为过去的最大增长率约为7%。如果只使用LLZO电池，钽的供应链将需要增长约30%--增长率远远高于历史上最高的约10%。
这些例子表明，在评估不同固体电解质的放大潜力时，考虑材料可用性和供应链的重要性。Huang说："即使一种材料的数量不是问题，就像锗的情况一样，扩大供应链中的所有步骤以配合未来电动汽车的生产，可能需要一个实际上是前所未有的增长率。"
材料和加工
在评估电池设计的扩展潜力时，要考虑的另一个因素是制造过程的难度以及它可能对成本产生的影响。制造固态电池不可避免地涉及许多步骤，而任何步骤的失败都会提高每一个成功生产的电池的成本。正如Huang所解释的那样，你不会运送这些失败的电池；你会把它们扔掉。但你还是在材料、时间和加工上花了钱。
作为制造难度的代理，Olivetti、Ceder和Huang探讨了他们数据库中选定的固态电池设计的失败率对总成本的影响。在一个例子中，他们专注于氧化物LLZO。LLZO是非常脆的，在制造过程中涉及的高温下，足够薄的大型板材在高性能固态电池中使用，很可能会出现裂纹或翘曲。
为了确定这种故障对成本的影响，他们模拟了组装LLZO电池的四个关键加工步骤。在每个步骤中，他们根据假定的产量来计算成本，即成功加工而不发生故障的总单元的比例。对于LLZO，收益率远远低于他们研究的其他设计；而且，随着收益率的下降，每千瓦时（kWh）电池能量的成本也大幅上升。例如，当在最后的阴极加热步骤中多出5%的单元时，成本增加了约30美元/千瓦时--考虑到这种电池普遍接受的目标成本是100美元/千瓦时，这种变化是微不足道的。显然，制造上的困难会对大规模采用设计的可行性产生深远的影响。
